水泵機組的自動化監測改造設計

張云波

（陽泉煤業集團興峪煤業有限公司， 山西 陽泉 045100）

1 改造的必要性

水泵機組為煤礦的大型關鍵設備，其合理管理有很大難度。主要有以下幾個問題[1]：每個水平排水泵房都需要設專人值班，水泵操作幾乎都是泵房司機操作，勞動強度大，企業達不到減員增效的目的，經濟效益很差；設備運行發生故障時，憑借經驗區分系統的故障狀態，可靠性差；礦井地面指揮中心不能實時了解水泵機組的運行狀態，而且在故障時不能有效地進行故障控制，為此需要進行自動化改造。

2 水泵自動化監測系統的功能

自動化監測監控系統主要功能有：第一，在緊急情況下對設備維護時，工程師可以通過按鈕及指示燈完成對球閥、閘閥及供電系統進行控制；第二，可以通過用戶端實現對水泵運行狀態參數進行控制；第三，可以實現對水泵機組的遠程控制，以及對水泵機組的運行狀態進行監視井，對水泵的運行參數具有實時的存儲功能；第四，在運行過程中，能實現自動化運行，能根據水倉水位、用電狀況等信息合理的調整水泵機組的運行狀態。

為了保證監測系統運行的可靠性，設計時應使系統具有一定的手動控制能力。當自動控制系統崩潰時，也可以通過人工控制水泵的運行狀態。系統在運行時可以實時顯示水泵控制系統的狀態信息，例如水倉水位，電機電流、電壓、功率因數等，水泵負壓、壓力、流量等，以及水泵機組轉軸溫度等信息。此外，系統還應具有一定的故障診斷和處理能力，在系統出現故障時，用戶端應能發出報警并顯示故障的類型，并能根據故障的類型作出相應的處理，例如停機、降低轉速等。該系統應具有語音和視頻通信能力，在發生緊急故障時，可以直接與指揮中心進行交流，以降低故障帶來的損失。該系統可以具有不同的權限功能，在運行時可以顯示設備的運行狀態、運行時間及下次檢修日期提示等功能。

3 水泵自動化監測系統硬件設計

該系統主要有四層結構，可以分為現場層、監控層、診斷層以及故障的遠程處理層。系統的總體結構如圖1所示，主要通過各個層之間的相互作用來實現水泵的自動化運行。

圖1 子系統總體結構

井下泵房現場層直接面向水泵機組的控制與信號采集。采用ET200 Profubus-DP從站，并配置數字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入模塊，利用具有通信功能的測控儀表可以減少主站的資源。由于不對水泵機組的溫度進行控制，無需對帶有DP總線接口的德陽捷通DDMF5-8ADP模塊編寫相應的通訊程序。為了防DP網絡因為電流過載而出現故障，應該在DP網絡的最后一個模塊上加上保護電阻。工業平板電腦通過數據采集卡采集水泵機組的振動信號，并進行預處理，通過工業以太環網將數據傳輸到地面故障診斷中心。

監控層主要是對變電所的水泵集控柜和供電集控柜的運行狀態進行監視，其主要由DP總線主站PLC和信息采集系統組成。PLC作為主控制器完成邏輯處理、控制及簡單數據處理等功能，并通過Profibus-DP現場總線和泵房現場層設備進行通訊，觸摸屏有良好的人機界面實現水泵機組的集中管理控制[2-3]。系統下位機硬件配置由主PLC、觸摸屏、模擬量和開關量采集、執行部分等組成。PLC模塊PLC為系統核心部分，這里選用高可靠性的S7-300系列PLC。

4 水泵自動化監測軟件設計

系統軟件主要程序結構圖如圖2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC軟件程序、平板電腦軟件程序和上位機軟件程序。

圖2 系統軟件框架圖

水泵機組自動監測控制系統在地面采用的是ET200的DP從站，從站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西門子的300系列，所以利用STEP7來編寫PLC程序。為了控制系統的穩定性，在編程時應保證模塊的獨立化[3]。其運行的整個流程是，PLC初始化變量通過調用OB100，在進入主循環后進行條件判定，根據輸入的參數來確定PLC系統的運行模塊；完成一個循環后，PLC進行掃描，更新相應的參數，進入一個循環[4]。此外，由于每個模塊都有相應的程序，下面主要對每個模塊的主要功能進行說明和介紹。

上位機通信程序模塊，其主要的功能是完成上位機和主控PLC的數據交換，并將接受到的數據和控制命令傳遞給平板電腦端。就地控制程序模塊，其主要功能是通過按鈕來完成對水泵起停的控制。半自動控制程序模塊，其主要的功能是完成水泵的半自動化控制，通過上位機和觸摸屏發出的指令，利用按鍵來實現水泵的起停。模擬量采集程序模塊，其主要的功能是對采集來的壓力、負壓、液位、溫度進行處理并將其轉化成相應的數字信號。突發事故處理程序模塊，其主要功能是根據相應的參數實現對水泵機組運行時的故障進行處理，并發出相應的控制指令，控制相應的裝置動作。綜保通信程序模塊的主要功能是將獲得的參數，例如電壓、電流、功率等，傳遞給相應的控制模塊。觸摸屏通信程序模塊的主要功能是實現與PLC進行數據交換，主要是通過自帶的MPI通信與PLC完成數據的交換。

當水泵機組的運行狀態出現異常時，監視器會根據測量到的信號發出相應的動作指令給相應的機構。發生故障時，故障報警程序模塊可以自動發出水泵的停止指令并發出相應的警報信號。此外，還會調用半自動化程序，將故障的原因和信息顯示在上位機上。

[1] 史麗萍，張廣龍.礦井中央水泵房綜合自動化系統的設計模式[J].煤炭機電，2005（4）：8-10.

[2] 邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用[M].北京：清華大學出版社，2000.

[3] 鄭晟，鞏建平，張學.現代可編程序控制器原理與應用[M].北京：科學出版社，1999.

[4] 譚偉城.離心式水泵振動監測與故障診斷[J].機械工程與自動化，2011（3）：127-128.